La ecología y la sostenibilidad son aspectos fundamentales en el desarrollo de nuevas tecnologías, especialmente cuando se trata de la eficiencia energética. Recientemente, científicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han logrado una mejora significativa en la refrigeración de materiales a temperaturas cercanas al cero absoluto. Esta innovación promete ser un gran avance para la industria cuántica, la astronomía, los superconductores y otras aplicaciones tecnológicas.
Innovación en Refrigeración Ultrafrío
Los investigadores han modificado un refrigerador comúnmente usado tanto en investigación como en la industria, reduciendo drásticamente el tiempo y la energía necesarios para enfriar materiales a unos pocos grados por encima del cero absoluto. Este dispositivo prototipo, que ahora está en proceso de comercialización con un socio industrial, podría ahorrar anualmente unos 27 millones de vatios de energía, 30 millones de dólares en consumo eléctrico global y suficiente agua de enfriamiento como para llenar 5.000 piscinas olímpicas.
Importancia de la Refrigeración Ultrafrío
Desde la estabilización de qubits (la unidad básica de información en un ordenador cuántico) hasta el mantenimiento de las propiedades superconductoras de los materiales y mantener el telescopio espacial James Webb de la NASA lo suficientemente frío para observar el cosmos, la refrigeración ultrafrío es esencial para el funcionamiento de muchos dispositivos y sensores. Durante décadas, el refrigerador de tubo de pulso (PTR) ha sido el dispositivo fundamental para alcanzar temperaturas tan frías como el vacío del espacio exterior.
Funcionamiento del PTR
Estos refrigeradores comprimen (calientan) y expanden (enfrían) cíclicamente gas helio a alta presión para lograr el «Gran Enfriamiento», de manera similar a cómo un refrigerador doméstico utiliza la transformación del freón de líquido a vapor para eliminar el calor. Sin embargo, el PTR es muy consumidor de energía, utilizando más electricidad que cualquier otro componente de un experimento de temperatura ultrabaja.
Mejoras en la Eficiencia Energética
El investigador del NIST, Ryan Snodgrass, y su equipo encontraron que los fabricantes habían diseñado el dispositivo para ser eficiente energéticamente solo en su temperatura final de operación de 4 kelvin (K), o 4 grados por encima del cero absoluto. Descubrieron que estos refrigeradores son extremadamente ineficientes a temperaturas más altas, un gran problema dado que el proceso de enfriamiento comienza a temperatura ambiente.
Mediante una serie de experimentos, Snodgrass, junto con los científicos del NIST Joel Ullom, Vincent Kotsubo y Scott Backhaus, descubrieron que a temperatura ambiente, el gas helio estaba bajo una presión tan alta que parte de él se desviaba a través de una válvula de alivio en lugar de ser utilizado para el enfriamiento. Al cambiar las conexiones mecánicas entre el compresor y el refrigerador, el equipo aseguró que no se desperdiciara helio, mejorando enormemente la eficiencia del refrigerador.
Reducción del Tiempo de Enfriamiento
Los investigadores ajustaron continuamente una serie de válvulas que controlan la cantidad de gas helio que fluye desde el compresor al refrigerador. Descubrieron que al permitir que las válvulas tuvieran una apertura mayor a temperatura ambiente y luego cerrarlas gradualmente a medida que avanzaba el enfriamiento, podrían reducir el tiempo de enfriamiento a la mitad o un cuarto del tiempo actual. Actualmente, los científicos deben esperar un día o más para que los nuevos circuitos cuánticos estén lo suficientemente fríos para ser probados. Dado que el progreso de la investigación científica puede estar limitado por el tiempo que lleva alcanzar temperaturas criogénicas, el enfriamiento más rápido proporcionado por esta tecnología podría impactar ampliamente en muchos campos, incluida la computación cuántica y otras áreas de investigación cuántica.
Impacto y Futuro de la Tecnología
La tecnología desarrollada por el equipo del NIST también podría permitir a los científicos reemplazar grandes refrigeradores de tubo de pulso por otros mucho más pequeños, que requieren menos infraestructura de apoyo. La necesidad de estos refrigeradores se expandirá enormemente a medida que la investigación en computación cuántica y su dependencia de la tecnología criogénica continúe creciendo. El PTR modificado ahorraría una mayor cantidad de dinero, energía eléctrica y agua de enfriamiento. Además de apoyar una floreciente economía cuántica, el dispositivo también aceleraría la investigación, ya que los científicos no tendrían que esperar días o semanas para que los qubits y otros componentes cuánticos se enfríen.
Vía www.nist.gov
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